БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (АТ)

Лит.: Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960; Блохинцев Д. И., Акустика однородной движущейся среды, М.—Л., 1946.

В. М. Бовшеверов.

Атмосфе'рная о'птика,раздел физики атмосферы, в котором изучаются оптические явления, возникающие при прохождении света в атмосфере. Сюда относятся не только такие красочные явления, как зори, радуги, изменения цвета неба, а и менее заметные, но очень важные для практики явления, как рассеяние и излучение атмосферой видимой и невидимой радиации, поляризация небесного света, видимость предметов и т.д. А. о. составляет часть физической оптики; она тесно переплетается с оптикой коллоидов и аэрозолей, планетных атмосфер, моря, с радиационной теплопередачей и др. Важные для А. о. результаты были получены при решении проблем физической химии, астрофизики, океанологии, техники, а методы и результаты А. о. часто находят применение в этих науках.

Изучение оптических свойств воздуха, моря и суши составляет прямые задачи А. о. Обратные задачи А. о. — разработка оптических методов зондирования, т. е. определения по измеренным оптическим свойствам воздуха, моря и суши других их физических характеристик.

Оптические явления в нижних и верхних слоях атмосферы (слой озона и выше) различны. В верхних слоях под влиянием солнечного излучения происходят главным образом фотохимические реакции. Возникающие при этом возбуждённые частицы высвечивают запасённую энергию (полярные сияния, свечение ночного неба и др.). Изучением этих явлений занимается аэрономия. В данной статье они не рассматриваются.

Интерес к оптическим явлениям в атмосфере возник очень давно. Цвет неба и облаков, зори, ложные солнца и т. д. с давних пор считались предвестниками погоды. Таких примет довольно много и одно время считалось даже, что их изучение и есть главная задача А. о. Этой точки зрения придерживался русский геофизик П. И. Броунов (30-е гг. 20 в.). Однако более подробные исследования показали, что хотя между оптическими и другими физическими явлениями в атмосфере связь несомненно существует, но часто она бывает очень сложной и неоднозначной; оптические признаки погоды иногда противоречат друг другу. Постепенно стало ясно, что найти связь между оптическими явлениями и погодой можно, лишь изучая природу оптических явлений и одновременно проникая в механизм физических явлений, вызывающих изменения погоды.

Первые попытки объяснить синий цвет неба относятся к 16 в. Леонардо да Винчи объяснял синеву небесного свода тем, что белый воздух на тёмном фоне мирового пространства кажется синим. Л. Эйлер считал (1762), что «сами частицы воздуха имеют синеватый оттенок и в общей массе создают интенсивную синеву». В начале 18 в. И. Ньютон объяснял цвет неба интерференционным отражением солнечного света от мельчайших капель воды, всегда взвешенных в воздухе. В 1809 французский физик Д. Араго открыл, что свет неба сильно поляризован (см. Поляризация света ) .

Первое правильное объяснение синего цвета неба дал английский физик Рэлей (Дж. У. Стрётт) (1871, 1881). По теории Рэлея цветные лучи, образующие солнечный спектр, рассеиваются молекулами воздуха пропорционально l -4(где l — длина световой волны). Синие лучи рассеиваются, примерно, в 16 раз сильнее, чем красные. Поэтому цвет неба (рассеянный солнечный свет) — синий, а цвет Солнца (прямой солнечный свет), когда оно низко над горизонтом и лучи его проходят большой путь в атмосфере, — красный. При этом рассеянный свет должен быть сильно поляризован, а под углом 90° от направления на Солнце поляризация должна быть полной.

Измерения яркости, цвета и поляризации света неба подтвердили теорию Рэлея. Но в 1907 русский физик Л. И. Мандельштам показал, что если тело, в том числе и воздух, строго однородно, то лучи, рассеянные отдельными молекулами, должны в результате взаимной интерференции гасить друг друга так, что никакого рассеяния вообще наблюдаться не будет. В действительности из-за хаотического теплового движения в среде всегда возникают флуктуации плотности (т. е. случайно расположенные области сгущений и разрежений), на которых и происходит рассеяние. Строгая теория флуктуационного рассеяния, разработанная польским физиком М. Смолуховским (1908) и А. Эйнштейном (1910), привела к тем же формулам, которые были ранее получены в молекулярной теории Рэлея. Однако все эти работы не учитывали запылённости атмосферы. Воздух, даже самый чистый, — высоко в горах, в Арктике и Антарктике — всегда засорён органической и минеральной пылью, частицами дыма, капельками воды или растворов. Эти частицы очень малы (радиус около 0,1 нм ) , их масса, а следовательно, и вес ничтожны, поэтому они так медленно падают на Землю, что малейший ток воздуха снова вздымает их вверх. Т. к. воздух непрерывно перемешивается, то в атмосфере всегда парит как бы сеть из мельчайших пылинок и капель, особенно густая в нижних приземных слоях. Это атмосферный аэрозоль, который и является главной причиной мутности воздуха. Он уменьшает дальность видимости в реальной атмосфере, по сравнению с идеальной, приблизительно в 20 раз. Кроме аэрозоля, большую роль в оптических явлениях в атмосфере играют водяной пар, углекислый газ и озон, хотя они составляют всего несколько % от объёма газов, из которых состоит воздушная смесь. Только эти газы поглощают солнечное и земное излучение и сами излучают радиацию.

В рассеянии света в атмосфере решающее значение имеет аэрозоль. Немецкий физик Г. Ми (1908) построил теорию рассеяния света частицей произвольного размера, которой широко пользуются в А. о. Эта теория была существенно развита н дополнена советскими учёными В. В. Шулейкиным (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифриным (1951) и голландским учёным ван Хюлстом (1957). Расчёты показывают, что характер рассеяния зависит от отношения радиуса частицы a к длине волны l и от вещества частицы. Малые частицы (a/l “ 1) ведут себя так же, как молекулы в теории Рэлея, но чем больше частицы, тем слабее зависимость рассеяния от длины волны. Большие частицы (a/l “ 1) рассеивают свет нейтрально — все волны одинаково. Это, в частности, относится к каплям облаков, радиусы которых в 10—20 раз больше длины волны видимого света. Именно поэтому облака имеют белый цвет. По этой же причине небо становится белесоватым, если воздух пыльный или содержит капельки воды. В исследование яркости и поляризации неба большой вклад внесли советские учёные В. Г. Фесенков, И. И. Тихановский, Е. В. Пясковская-Фесенкова, а в исследование прозрачности облаков, туманов, нижних слоев атмосферы — А. А. Лебедев, И. А. Хвостиков, С. Ф. Родионов, американские учёные Д. Стреттон и Г. Хаутон, французские учёные Э. и А. Васей, Ж. Брикар.